CN103295417B - 一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法，其主要组成模块由智能终端、改良式有源电子标签、阅读器、数据库、智能车位引导系统和主动标签查询系统六大部分构成。所述的有源电子标签，其功能模块设计包括：射频模块的电路设计，超声波测距模块的电路设计，微控制器MCU的外围电路设计，液晶显示LCM模块的电路设计，语音模块的电路设计；系统采用改良式的主动标签，增加了诸如费用提醒，车位提醒等人性化功能，且有源的设计，强化了标签的可开发能力，增加了标签与阅读器的读写范围，实现了与阅读器之间的主动交互。阅读器嵌入无线网卡模块通过基础网络完成与信息中心的数据传递。

Description

一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法

技术领域

本发明为基于RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）的停车场智能管理控制方案，主要用来解决当前停车场服务过程中所存在的诸多问题，对提高停车场的服务质量和管理效率有着十分重要的意义，该项目属于物联网和无线通信的交叉领域。

背景技术

射频识别即RFID技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，常用的频率有低频（125KHZ）、高频（13.56MHZ）、超高频。

射频识别系统由标签，阅读器和计算机网络组成，最重要的优点是非接触识别，能穿透雪、雾、冰、涂料和条形码无法使用的恶劣环境，并且阅读速度极快。有源式射频识别系统的强读写能力是其重要的优点。

RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，通过磁场共振的效果，标签产生感应电流，再将存储在芯片中的产品信息（或者由有源标签发送一定频率的信号，解读器读取信息并解码后）发送至中央处理器对其进行处理。

无源电子标签凭借其体积小，使用寿命长，易于维护等优点成为目前国内外停车场的主流选择。但在稳定性，读写速度，读写距离方面始终表现的差强人意。

无源标签从阅读器所发出的射频能量中提取工作所需的电源，通过反射方式完成信息之间的交互，虽然无需自身功耗，但也极大的限制了自身与阅读器的大数据交互，其被动的工作方式也限制了信息的主动交互。在停车系统中，对无源标签的开发也仅仅局限于对其内部信息的读取，无法实现人机互动的方案。相比而言，对有源标签的开发虽无法避免功耗大的问题，但考虑其可开发能力较强，更能实现数据的实时交互，易于智能化控制。

目前停车场存在许多方面的问题，首先是低效率的人工收费以及繁杂的人工车辆指引，其次是停车位没有达到最大化的利用，车位空闲，车主却因为找不到车位驱车来回搜索，一定程度上加剧了环境的污染。总结而言，目前的停车场系统仅仅只是为了停车，而对于其管理效率以及人性化服务方面却始终考虑的太少。

本发明在物联网的架构下，使用主动式标签与阅读器之间实现信息交互从而通过控制路灯来指引车辆的行驶方向，进而找到停靠车位。采用自助缴费系统来进行收费从而来控制车辆的出入。并且通过在有源标签上增加发光二极管显示功能，用来显示请求服务的信息。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法，针对传统停车场人工收费效率低，人性化服务考虑不足的缺点来进行设计，其目的是为了提高管理效率，真正实现停车场的智能化控制。

技术方案：本发明提出的是一种物联网环境下基于RFID的停车场智能控制管理方案，通过一套完整的硬件和软件系统对停车场实现智能化控制。

首先给出几个定义：

有源电子标签：主要由标签、解读器和数据传输和处理系统三部分组成。也被称为电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，芯片中能存储有能够识别目标的信息。有源标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等优点。且标签支持读写功能，目标物体的信息能随时更新。

阅读器：由天线，耦合元件，芯片组成，读取或写入标签信息的设备，可设计为手持式读写器或固定式读写器。

无线局域网：无线局域网络是相当便利的数据传输系统，它利用射频（Radio Frequency；RF）的技术，取代旧式碍手碍脚的双绞铜线所构成的网络。

无线网卡：无线网卡的作用和以太网中的网卡作用基本相同，它作为无线局域网的接口，能够实现无线局域网各客户机间的连接和通信。

系统采用一卡一位的管理模式，即用户在领取标签时，便已经将停车位固定，从而解决了多辆车同时争抢一个停车位的问题。

考虑到目前停车场用户主要分为两类：临时用户和固定用户，固定用户的停车行为具有长期性且收费相对固定，因此这类用户使用蓝牙识别卡来标记基本信息。而临时客户由于对停车场的不熟悉，为避免出现找不到既定停车区域的情况，因而这类用户采用改良型的有源标签进行标识。

在每个车位处安装超声波车位检测器，用来实时检测车位是否空闲，并将节点信息反馈给控制中心，主机根据各节点的反馈信息来计算空位号并在停车场入口处通过LED（ Light Emitting Diode，发光二极管）显示车位空余信息。

在每个路口处安装方向指示灯，阅读器读取标签中的车位数据信息，交付至终端进行处理，数据终端通过指示灯显示正确的行驶方向，从而达到智能引导的效果。

考虑到目前停车场收费的严重混乱性以及费用的不透明性，我们在有源标签上增加费用查询功能，通过LED显示其车位信息，包括车主的入驻时间、服务时间、优惠时间，以及当前的服务费用。由于当前停车场大多采用小时收费制，即不满一小时也按整点费用收取，因此我们可以在每个整点值前设定一个值用来提醒用户，避免用户仅仅因为超过一两分钟却要付一小时车费的情况。

在每个路口前数米处安装压力传感器，并设定一个门阀值，从而将客户汽车进行区分，系统根据门阀值设定来进行引导服务。

    客户端采用B/S（浏览器/服务器方式）或C/S（客户机/服务器方式），授权用户可对车辆信息进行查询。

方法流程：

步骤1）可交换无线局域网的搭建：各区域阅读器搭载无线网卡模块，将从各标签中阅读的数据通过中心化无线传感器进行传输和管理，接入点通过无线控制器和路由进行逻辑上的接入，且控制器需要支持多个虚拟局域网络，通过将各个区域的阅读器单独组建虚拟专用网络，对各区域的阅读器信息进行管理；

步骤2）搭建智能终端的硬件系统：控制终端由发光二极管显示器、服务器、道闸、地感线圈、摄像机、自动取卡机、自动收卡机和自动投币机组成；

步骤3）基于有源标签的智能车位引导系统的基础设施布置：在每个路口处布置指向各个方向的车辆指示灯，且在每个路口前数米处安装压力传感器，埋设地点不能超过离路口一个半车身的距离，以此来防止系统在对当前车辆进行指引时，后面车辆对其产生的干扰；通过设定不同的门阀值来区分车辆和人，以此提供不同的导向服务；

步骤4）基于有源标签的智能车位引导系统的服务顺序判定：阅读器平时处于休眠状态，当压力传感器采集到有效数据后，便将阅读器激活，激活后阅读器主动对其有效读写范围内的有源标签发送测距指令，标签收到命令后，启动超声波测量模块，获取当前标签和阅读器的距离，并将处理好的数据发送给阅读器，如此阅读器便可以根据获取的距离的大小判断车辆的服务顺序；若压力传感器采集到的数据长时间在微小的范围内保持不变，则控制中心可将其判定为故障，且通过蜂鸣器通知管理人员到故障地点进行排查检测；

步骤5) 基于有源标签的智能车位引导系统的数据采集和流量检测：当车辆行至第一个路口处时，压力传感器采集数据，并且激活周围的阅读器，阅读器检测到在其有效作用范围内的标签后，读取目标车位的信息，并将数据反馈给控制中心，控制中心根据各路口压力传感器反馈的信息，大致估略出所有路段的车辆流量信息，并以此为依据选择出当前路段的最佳行驶路线，在后续的过程中，每经过一个路口即进行一次方向检测，以车道的最小流量为标准，采用最优化的方式进行路段选择，减少主干道的车辆拥塞；

步骤6）基于有源标签的车位请求功能实现：若客户忘记停车地点，则通过有源标签与当前所处区域的阅读器进行主动通信，读取阅读器中的区域信息并通过有源标签对当前位置信息进行显示，如有楼层跨越，可通过蜂鸣器进行提示；

步骤7）基于有源标签的服务时间主动提醒功能实现：标签通过MCU自带的定时器完成自动计时，在整数计数值之前，设定某一提醒值，如此便可减少用户为仅仅几分钟的超时却要付一个小时车费的情况；

步骤8）智能车位引导系统在驶离停车场时的应用：客户驶离停车场方案采用和智能引导车位相同的方式。

所述的有源电子标签，其功能模块设计包括：射频模块的电路设计，超声波测距模块的电路设计，微控制器MCU的外围电路设计，液晶显示LCM模块的电路设计，语音模块的电路设计；

射频模块的电路设计：射频芯片的选取：射频模块采用笙科推出的2.4GHZ长距离传输射频收发芯片A7130，工作电压2.0~3.6V，MCU通过SPI接口可直接驱动A7130，该芯片的最大优势在于高速传输速率4Mbps以及超高接收灵敏度。

若搭配电子增距芯片，通信距离可达到200m。外围电路设计如图1所示。

超声波测距模块的电路设计：发射模块中采用74ALS04对超声波起驱动作用，以使超声波发射头能发射超声波，外围电路设计如图2所示。

接收模块则采用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大和滤波。外围电路设计如图3所示。

LCM模块的电路设计: 液晶显示模块采用3.6V供电的ST7920LCM，为防止出现I/O口驱动不足的情况，增加三极管对电流进行放大。外围电路设计如图5所示。

语音模块电路设计：语音芯片采用AP89042，振荡电阻R10的选择需严格按照说明标准，否则芯片无法正常工作，外围电路设计如图6所示。

MCU的外围电路设计：MCU作为主控模块，采用AVR公司的低功耗控制器ATMEGA8，通过4组I/O口分别驱动控制射频模块、超声波测距模块、LCM模块和语音模块，外围电路设计如图4所示。

有益效果：本发明提出的物联网环境下基于射频识别的智能停车场控制系统具有以下优点：

1) 固定用户采用蓝牙射频卡，增加了阅读器的读写范围，实现了远距离不停车读卡，一定程度上缓和了停车口的拥塞。

2) 提高了收费透明度，杜绝了车主怀疑计费准确度而导致的争执。

3) 减少了人员成本。

4) 采用车-位固定的模式，杜绝了占位的纠纷。

5) 采用了人性化设计，同时方便了顾客和管理者。

附图说明

图1所示为有源电子标签的射频模块。

图2所示为超声波发射电路。

图3所示为超声波接收电路。

图4所示为有源电子标签的MCU模块。

图5所示为有源电子标签的LCM（LCD Module，液晶显示）模块。

图6所示为有源电子标签的语音模块。

图7所示为A7130通信数据格式。

图8所示为阅读器网络接入图。

图9所示为停车场的场景布置图。

具体实施方式：

本发明提出了一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法，系统由智能终端，RFID标签，阅读器，数据库系统，智能车位引导系统，主动标签查询系统六大部分构成，系统的实施方式首先要对这六个模块进行设计。

步骤1）：改良型有源标签的电路设计（含各模块芯片的选型）：

射频芯片的选取：为满足用户对远距离识别的要求，射频模块采用笙科推出的2.4GHZ长距离传输射频收发芯片A7130，工作电压2.0~3.6V，MCU通过SPI接口可直接驱动A7130，该芯片的最大优势在于高速传输速率（4Mbps）以及超高接收灵敏度。采用笙科设计的PCB天线，其数据传输距离可达到50m，若搭配电子增距芯片，通信距离可达到200m。通过增大通信范围可减少阅读器的布置数量，极大的降低了成本。在数据处理上，A7210提供封包侦错。内置的加解密器可提供高质量的防窃听封包，封包采用曼彻斯特编码，大幅降低MCU处理数据串流的复杂度，图1为标签的射频模块的电路设计图。

超声波测距模块：智能引导车位的核心模块，用来测量标签与阅读器的距离，以此来判断车辆服务的顺序。采用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大和滤波。其外围电路分为发送和接收模块，外围电路如图2和3所示。

MCU芯片的选取：微处理器模块采用AVR公司的低功耗控制器ATMEGA8L，片内组合了不同的功能模块，可以适应不同层次的应用请求。在硬件平台上，该芯片的工作电压为2.7V~5.5V，能实现读写同步，并提供了五种低功耗模式，可最大限度的延长电子标签的使用寿命，图4所示为标签MCU的外围接口电路。

液晶显示模块采用3.6V供电的ST7920LCM。标签主动发出服务请求，控制中心接受请求并对数据进行处理，标签接收到反馈信息后，通过LCM模块对车位信息进行显示，其外围电路如图5所示。

语音模块用来为用户提供相关的应用提醒，采用AP89042芯片，其外围电路如图6所示。

考虑到电源的功耗和标签体积。电源采用LIR2032(3.6V)的纽扣电池进行供电。

电路设计中电源设计是一个很重要的环节，各模块之间相互通信，如果电平不能正常匹配，轻则信号无法正常传输，严重的话模块会直接烧损。因此电源设计时需严格按照模块所需要的电压进行供电，如不同工作电压的模块需要进行通信，也需经过严格的电平转换系统。在本标签的设计中，考虑到系统功耗的问题，所有模块一致采用3.6V供电，极大的降低了电平转换的功耗。

步骤2）MCU通过SPI接口直接驱动A7130，数据格式如图7所示。数据读写采用四总线方式。

步骤3）可交换无线局域网的搭建：各区域阅读器搭载无线网卡模块，将从各标签中阅读的数据通过中心化无线传感器进行传输和管理。接入点通过无线控制器和路由进行逻辑上的接入。且控制器需要支持多个虚拟局域网络，通过将各个区域的阅读器单独组建虚拟专用网络，如此可方便对各区域的阅读器信息进行管理，网络接入方式如图8所示。

步骤4）：基于有源标签的智能引导车位的实现：小张驾临时车A进入停车场时，经过车道下的地感线圈（地感线圈就是线圈和电容组成的震荡电路，当有大型的金属物经过时，振荡频率便会发生变化，系统便可根据此信号进行相应的处理），入口处的发卡机面板显示屏则显示提示小张按键取卡，主机根据各车位的反馈信息，选择出当前离入口处最近的车位区域，小张按键后，读卡机发放有源识别卡，完成读卡过程，且语言播报车位区域信息，同时启动入口摄像机，摄录车辆A图像，依据相应卡号，存入计算机数据库中，小张取卡后，道闸自动开启，车辆A通过第二个地感线圈后道闸自动关闭。目前大型停车场都以A，B，C，D。。。标号进行区域划分，我们可在每个区域根据大小布置若干个阅读器，阅读器中写入本区域的信息。

步骤5）在每个路口处布置指向各个方向的车辆指示灯。且在每个路口前数米处安装压力传感器，埋设地点不能超过离路口一个半车身的距离，以此来防止系统在对当前车辆进行指引时，后面的车对其产生的干扰。通过设定不同的门阀值来消除人的干扰。

步骤6）阅读器平时处于休眠状态，当压力传感器采集到有效数据后，便将阅读器激活，激活后阅读器主动对其有效读写范围内的有源标签发送测距指令，标签收到命令后，启动超声波测量模块，获取当前标签和阅读器的距离，并将处理好的数据发送给阅读器，如此阅读器便可以根据获取的距离的大小判断车辆A及其后续车辆的服务顺序。目前停车场均采用单向行车的方式，因此不可能出现多辆车同时到达同一路口请求引导的并行情况。若压力传感器采集到的数据长时间在微小的范围内保持不变，则控制中心可将其判定为故障，且通过蜂鸣器通知管理人员到故障地点进行排查检测。

步骤7）当车辆A行至第一个路口处时，车辆前轮驶过压力传感器，此时传感器将第一次采集到数据，并且激活周围的阅读器，阅读器检测到在其有效作用范围内的标签后，读取目标车位的信息，并将数据反馈给控制中心，控制中心根据各路口压力传感器反馈的信息，可大致估略出所有路段的车辆流量信息，并以此为依据选择出当前路段的最佳行驶路线，最后通过方向指示灯进行指引。当车辆A后轮驶过压力传感器时，传感器第二次采集到数据，此时系统则可判定小张对方向已作出判断，方向指示灯灭（可适当进行延时，防止用户没有及时注意的情况）。压力传感器合理的埋设距离加上二次数据的判断如此便可消除车队模式的干扰。在后续的过程中，每经过一个路口即进行一次方向检测，采用最优化的方式，过程虽然复杂，但却对车流量和人性化服务进行了综合考量，减少了主干道车辆拥塞的情况。

步骤8）我们可对有源标签进行如下设置：当车辆行至目标区域时，阅读器中的区域信息与标签中的车位信息完成匹配，标签上的扬声器主动提醒小张已进入目标区域。每个区域入口处放置一小型LED显示屏，仅需简单显示车位号平面图，并且在每个车位处进行标识，智能引导系统用来定位区域及主干道，而车位平面图则提示用户进行主干道上的车位寻找，二者结合便可帮助小张在既定区域迅速的找到目标车位。

步骤9）若小张临时忘记车位号则可按下主动标签上的查询按钮，标签主动向阅读器发出当前区域位置请求，阅读器接收到请求后即刻将存储的区域信息发送，连同固化在存储器中的车位信息一起通过LED显示，若是多层停车场，则通过语音模块提醒小张楼层信息。

步骤10）标签提供主动提醒功能：标签可通过MCU自带的定时器完成自动计时，在整数计数值之前，设定一提醒值，我们可设定每整点前15分钟提醒小张，如此便可减少用户为仅仅几分钟的超时却要付一个小时车费的情况。

步骤11）当小张将车开出停车位后，超声波检测器立即能检测出车位空闲，并上报控制中心，在有源标签的程序设计中我们可设置一标志位，车辆入场至找到车位标志位置为1，当车辆驶离停车位时，立刻将此标志位置为0；小张沿主干道前进，阅读器检测到标志位信息后，便同样提供如智能引导车位一样的服务，只是将目的点更换为出口。

步骤12）车辆A行至出口处，小张将标签投至自动收卡机，主机自动将数据库中存储的信息与车辆信息进行比对，如有错误则拒绝通行，否则在自动投币机处显示该缴费用，小张缴纳相应费用后，道闸自动放行，经过地感线圈后，道闸自动关闭。

Claims (2)

1.一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤1)可交换无线局域网的搭建：各区域阅读器搭载无线网卡模块，将从各标签中阅读的数据通过中心化无线传感器进行传输和管理，接入点通过无线控制器和路由进行逻辑上的接入，且控制器需要支持多个虚拟局域网络，通过将各个区域的阅读器单独组建虚拟专用网络，对各区域的阅读器信息进行管理；

步骤2)搭建智能终端的硬件系统：控制终端由发光二极管显示器、服务器、道闸、地感线圈、摄像机、自动取卡机、自动收卡机和自动投币机组成；

步骤3)基于有源标签的智能车位引导系统的基础设施布置：在每个路口处布置指向各个方向的车辆指示灯，且在每个路口前数米处安装压力传感器，埋设地点不能超过离路口一个半车身的距离，以此来防止系统在对当前车辆进行指引时，后面车辆对其产生的干扰；通过设定不同的门阀值来区分车辆和人，以此提供不同的导向服务；

步骤4)基于有源标签的智能车位引导系统的服务顺序判定：阅读器平时处于休眠状态，当压力传感器采集到有效数据后，便将阅读器激活，激活后阅读器主动对其有效读写范围内的有源标签发送测距指令，标签收到命令后，启动超声波测量模块，获取当前标签和阅读器的距离，并将处理好的数据发送给阅读器，如此阅读器便可以根据获取的距离的大小判断车辆的服务顺序；若压力传感器采集到的数据长时间在微小的范围内保持不变，则控制中心将其判定为故障，且通过蜂鸣器通知管理人员到故障地点进行排查检测；

步骤5)基于有源标签的智能车位引导系统的数据采集和流量检测：当车辆行至第一个路口处时，压力传感器采集数据，并且激活周围的阅读器，阅读器检测到在其有效作用范围内的标签后，读取目标车位的信息，并将数据反馈给控制中心，控制中心根据各路口压力传感器反馈的信息，大致估略出所有路段的车辆流量信息，并以此为依据选择出当前路段的最佳行驶路线，在后续的过程中，每经过一个路口即进行一次方向检测，以车道的最小流量为标准，采用最优化的方式进行路段选择，减少主干道的车辆拥塞；

步骤6)基于有源标签的车位请求功能实现：若客户忘记停车地点，则通过有源标签与当前所处区域的阅读器进行主动通信，读取阅读器中的区域信息并通过有源标签对当前位置信息进行显示，如有楼层跨越，通过蜂鸣器进行提示；

步骤7)基于有源标签的服务时间主动提醒功能实现：标签通过MCU自带的定时器完成自动计时，在整数计数值之前，设定某一提醒值，如此便可减少用户为仅仅几分钟的超时却要付一个小时车费的情况；

步骤8)智能车位引导系统在驶离停车场时的应用：客户驶离停车场方案采用和智能引导车位相同的方式。

2.根据权利要求1所述的一种基于射频识别技术的停车场智能控制方法，其特征在于所述的有源标签，其功能模块设计包括：射频模块的电路设计，超声波测距模块的电路设计，微控制器MCU的外围电路设计，液晶显示LCM模块的电路设计，语音模块的电路设计；

射频模块的电路设计：射频芯片的选取：射频模块采用笙科推出的2.4GHZ长距离传输射频收发芯片A7130，工作电压2.0～3.6V，MCU通过SPI接口可直接驱动A7130，该芯片的最大优势在于高速传输速率4Mbps以及超高接收灵敏度；

超声波测距模块的电路设计：发射模块中采用74ALS04对超声波起驱动作用，以使超声波发射头能发射超声波，接收模块则采用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大和滤波；

LCM模块的电路设计:液晶显示模块采用3.6V供电的ST7920LCM，为防止出现I/O口驱动不足的情况，增加三极管对电流进行放大；

语音模块电路设计：语音芯片采用AP89042，振荡电阻R10的选择需严格按照设计标准，否则芯片无法正常工作；

MCU的外围电路设计：MCU作为主控模块，采用AVR公司的低功耗控制器ATMEGA8，通过4组I/O口分别驱动控制射频模块、超声波测距模块、LCM模块和语音模块。